(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に設けられ、排気中のパティキュレートを捕集するパティキュレートフィルタを備える内燃機関の排気浄化装置において、
前記パティキュレートフィルタに捕集されたパティキュレートを燃焼させる再生処理を実行する再生手段と、
前記排気通路とは別に設けられ、燃料を部分酸化反応によって改質して水素及び一酸化炭素を含む還元性気体を製造し、この還元性気体を、前記排気通路のうち前記パティキュレートフィルタの上流側に設けられた導入口から、当該排気通路内に供給する燃料改質器と、
前記排気通路のうち前記導入口と前記パティキュレートフィルタとの間に設けられ、還元性気体を連続的に酸化する触媒コンバータと、
前記パティキュレートフィルタに堆積したパティキュレートが燃焼状態にあるか否かを判定する燃焼判定手段と、を備え、
前記燃料改質器により製造された還元性気体は、水素よりも一酸化炭素を多く含み、
前記再生手段は、
前記燃料改質器により製造された還元性気体を用いずに再生処理を実行する通常再生手段と、前記燃料改質器により製造された還元性気体を用いた再生処理を実行可能な加熱再生手段と、を有し、所定の条件に応じて、前記通常再生手段により再生処理を実行するか前記加熱再生手段により再生処理を実行するかを切り替え、
前記再生手段は、前記パティキュレートが燃焼状態にあると判定された場合には、前記通常再生手段により再生処理を実行し、前記パティキュレートが燃焼状態にないと判定された場合には、前記加熱再生手段により再生処理を実行することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
前記排気通路のうち前記パティキュレートフィルタの下流側の排気の酸素濃度を検出又は推定する酸素濃度検出手段をさらに備え、
前記燃焼判定手段は、前記酸素濃度検出手段により検出又は推定された酸素濃度に基づいて、前記パティキュレートが燃焼状態にあるか否かを判定することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】
前記排気通路のうち前記パティキュレートフィルタの下流側の排気温度を検出又は推定する下流排気温度検出手段をさらに備え、
前記燃焼判定手段は、前記下流排気温度検出手段により検出又は推定された排気温度に基づいて、前記パティキュレートが燃焼状態にあるか否かを判定することを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】
前記加熱再生手段は、前記通常再生手段により再生処理を行う場合と比較して、前記内燃機関の吸入空気量を減量するか、前記内燃機関の排気還流量を増量するか、あるいは、前記内燃機関の充填効率を小さくすることを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項５】
前記加熱再生手段は、前記燃料改質器により還元性気体を前記排気通路内に供給しながら再生処理を実行する第１加熱再生手段と、前記燃料改質器により還元性気体を前記排気通路内に供給せずに再生処理を実行する第２加熱再生手段と、を有し、所定の条件に応じて前記第１加熱再生手段により再生処理を実行するか前記第２加熱再生手段により再生処理を実行するかを切り替えることを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項６】
前記排気通路のうち前記パティキュレートフィルタの上流側の排気の温度を検出又は推定する上流排気温度検出手段をさらに備え、
前記加熱再生手段は、前記上流排気温度検出手段により検出された温度が所定の判定値より小さい場合には、前記第１加熱再生手段により再生処理を実行することを特徴とする請求項５に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項７】
前記パティキュレートフィルタの温度を推定又は検出するフィルタ温度推定手段をさらに備え、
前記加熱再生手段は、前記フィルタ温度推定手段により推定又は検出された温度が所定の判定値より小さい場合には、前記第１加熱再生手段により再生処理を実行することを特徴とする請求項５又は６に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項８】
前記内燃機関の発生トルクを推定するトルク推定手段をさらに備え、
前記加熱再生手段は、前記トルク推定手段により推定又は検出された発生トルクが所定の判定値より小さい場合には、前記第１加熱再生手段により再生処理を実行することを特徴とする請求項５から７の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項９】
前記トルク推定手段は、前記内燃機関の回転数、燃料噴射量、及び燃料噴射時期のうち少なくとも１つに基づいて前記内燃機関の発生トルクを推定することを特徴とする請求項８に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項１０】
前記内燃機関を始動してからの経過時間を計測する計時手段をさらに備え、
前記加熱再生手段は、前記計時手段により計測された経過時間が所定の判定値より小さい場合には、前記第１加熱再生手段により再生処理を実行することを特徴とする請求項５から９の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項１１】
内燃機関の排気通路に設けられ、排気中のパティキュレートを捕集するパティキュレートフィルタを備える内燃機関の排気浄化装置において、
前記パティキュレートフィルタに捕集されたパティキュレートを燃焼させる再生処理を実行する再生手段と、
前記排気通路とは別に設けられ、燃料を改質して水素及び一酸化炭素を含む還元性気体を製造し、この還元性気体を、前記排気通路のうち前記パティキュレートフィルタの上流側に設けられた導入口から、当該排気通路内に供給する燃料改質器と、
前記パティキュレートフィルタに堆積したパティキュレートが燃焼状態にあるか否かを判定する燃焼判定手段と、を備え、
前記再生手段は、
前記燃料改質器により製造された還元性気体を用いずに再生処理を実行する通常再生手段と、前記燃料改質器により製造された還元性気体を用いた再生処理を実行可能な加熱再生手段と、を有し、所定の条件に応じて、前記通常再生手段により再生処理を実行するか前記加熱再生手段により再生処理を実行するかを切り替え、
前記再生手段は、前記パティキュレートが燃焼状態にあると判定された場合には、前記通常再生手段により再生処理を実行し、前記パティキュレートが燃焼状態にないと判定された場合には、前記加熱再生手段により再生処理を実行することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。詳しくは、排気中のＰＭ（パティキュレート）を捕集するＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）を有する内燃機関の排気浄化装置に関する。
【０００２】
また、本発明において、「リッチ」という用語は、問題とする燃料の空気／燃料比率（以下、「空燃比」という）が化学量論的な空燃比よりも小さいことを示し、「リーン」という用語は、問題とする燃料の空燃比が上述の化学量論的な空燃比よりも大きいことを示す。また、以下の説明では、エンジンへ流入する混合気における空気と燃料の重量比をエンジン空燃比といい、排気管内の空気と可燃性気体との重量比を排気空燃比という。
【０００３】
また、排気空燃比を制御する方法としては、エンジンの吸入空気量を低減しかつトルクに寄与する燃料噴射（以下、「主噴射」という）量を調整することで排気空燃比を低くする（以下、「リッチ化する」という）方法や、トルクに寄与しない燃料噴射（以下、「ポスト噴射」という）を行い未燃の燃料を排気通路に流すことで排気空燃比をリッチ化する方法とがある。また、この他、排気通路に燃料を直接噴射（以下、「排気噴射」という）する方法も知られている。
【背景技術】
【０００４】
ディーゼルエンジンの排気系に、排気中のＰＭを捕集するＤＰＦを設け、ＰＭの排出量を低減する技術は広く用いられている。このＤＰＦが捕集できるＰＭ量には限界があるため、ＤＰＦに堆積したＰＭを燃焼させるＤＰＦ再生処理が適宜実行される。近年では、このＤＰＦ再生処理の技術に関して、様々な提案がなされている。
【０００５】
例えば特許文献１には、排気通路のうちＤＰＦの上流側に酸化性能の高い触媒を塗布した触媒コンバータを配置するとともに、排気通路内に未燃の燃料を排気噴射することで、この燃料を触媒コンバータで燃焼させて排気を昇温し、高温となった排気をＤＰＦに流入させることでＤＰＦに堆積したＰＭを燃焼する排気浄化装置が示されている。
また、例えば特許文献２には、上述の排気噴射の代わりにポスト噴射を行うことで、特許文献１の排気浄化装置と同様に、燃料を触媒コンバータで燃焼させて排気を昇温し、ＤＰＦに堆積したＰＭを燃焼する排気浄化装置が示されている。
【０００６】
ところで、これら排気噴射やポスト噴射の他に、排気空燃比をリッチにする方法として、改質反応により一酸化炭素や水素を含む還元性気体を製造する燃料改質器を排気通路に設ける方法が知られている。ここで、燃料改質器の改質触媒における改質反応としては、例えば、下記式（１）に示すような炭化水素の部分酸化反応により、水素と一酸化炭素とを含むガスを製造する反応が知られている。
ＣｎＨｍ＋１／２ｎＯ２→ｎＣＯ＋１／２ｍＨ２  （１）
この部分酸化反応は、燃料と酸素を用いた発熱反応であり、自発的に反応が進行する。このため、一旦、反応が始まると、外部から熱の供給をすることなく水素を製造し続けることができる。また、このような部分酸化反応において、燃料と酸素とを高温状態で共存させた場合には、下記式（２）に示すような燃焼反応も改質触媒において進行する。
ＣｎＨｍ＋（ｎ＋１／４ｍ）Ｏ２→ｎＣＯ２＋１／２ｍＨ２Ｏ  （２）
改質反応としては、部分酸化反応の他、下記式（３）のような水蒸気改質反応も知られている。
ＣｎＨｍ＋ｎＨ２Ｏ→ｎＣＯ＋（ｎ＋１／２ｍ）Ｈ２  （３）
この水蒸気改質反応は、燃料と水蒸気とを用いた吸熱反応であり、自発的に進行する反応ではない。このため、水蒸気改質反応は、上述の部分酸化反応に対して制御しやすいものとなっている。その反面、外部からの熱供給などのエネルギーを投入することが必要である。
【特許文献１】特許第３８３５２４１号公報
【特許文献２】特開平８−４２３２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１の排気浄化装置のように、排気噴射を行うと、未燃燃料が直接触媒コンバータに接触してしまい、触媒表面の温度が局所的に高温となり、シンタリングなど触媒が劣化してしまうおそれがある。また、燃料が液滴状態で触媒に接触すると、この接触部分は気化潜熱により触媒表面の温度が局所的に低下してしまい、コーキングが発生するおそれもある。
また、排気温度が低い場合に排気噴射を行うと、排気噴射により供給した燃料の気化潜熱により排気温度がさらに低下してしまい、液状の燃料が排気通路に溜まり、触媒が劣化したり、排気系の部品が腐食したりするおそれがある。
【０００８】
また、特許文献２の排気浄化装置のように、ポスト噴射を行うと、シリンダの壁面に噴射した燃料の一部が付着し、この燃料がエンジンオイルに混入する場合がある。このような場合、噴射した燃料はＰＭの燃焼に寄与しないばかりか、この燃料によりエンジンオイルが希釈されてしまう所謂オイルダイリューションが発生するおそれがある。
【０００９】
また、これら特許文献１，２の排気浄化装置のように、触媒コンバータにおける酸化反応により消費される還元剤の大半は炭化水素である。したがって、触媒コンバータは流入する炭化水素が酸化反応可能な程度な温度に保持する必要がある。しかしながら、低負荷運転を続けた場合などには、触媒コンバータの温度が酸化反応を生じにくい温度まで低下してしまい、ＤＰＦ再生を実行できなくなるおそれもある。
【００１０】
一方、燃料改質器を排気通路に設けた場合には、以下のような課題がある。
すなわち、上述のように、排気量が常時変動する排気通路に燃料改質器を設けた場合において、この燃料改質器で効果的に水素を製造するためには、燃料改質器の改質触媒と排気とが接する反応時間を増やす必要がある。しかしながら、このように反応時間を増やすためには、改質触媒を大型化する必要があり、コストがかかるおそれがある。
また、燃料改質器を安定した状態で運転するには、この燃料改質器の改質触媒における反応温度を一定に保つ必要がある。しかしながら、上述のように、酸素量、水蒸気量、及び温度が常に変化する排気通路に燃料改質器を設けると、燃料改質器を安定した状態で運転することが困難になってしまう。
【００１１】
本発明は上述した点を考慮してなされたものであり、効率的にＤＰＦ再生を行うことができる内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するため請求項１に記載の発明は、内燃機関（１）の排気通路（４）に設けられ、排気中のパティキュレートを捕集するパティキュレートフィルタ（３２）を備える内燃機関の排気浄化装置において、前記パティキュレートフィルタに捕集されたパティキュレートを燃焼させる再生処理を実行する再生手段（４０）と、前記排気通路とは別に設けられ、燃料を改質して水素及び一酸化炭素を含む還元性気体を製造し、この還元性気体を、前記排気通路のうち前記パティキュレートフィルタの上流側に設けられた導入口（１４）から、当該排気通路内に供給する燃料改質器（５０）と、を備え、前記再生手段は、前記燃料改質器により製造された還元性気体を用いずに再生処理を実行する通常再生手段（４０）と、前記燃料改質器により製造された還元性気体を用いた再生処理を実行可能な加熱再生手段（４０）と、を有し、所定の条件に応じて、前記通常再生手段により再生処理を実行するか前記加熱再生手段により再生処理を実行するかを切り替えることを特徴とする。
【００１３】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記燃料改質器により製造された還元性気体は、水素よりも一酸化炭素を多く含むことを特徴とする。
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記排気通路のうち前記導入口と前記パティキュレートフィルタとの間には還元性気体を連続的に酸化する触媒コンバータ（３１）が設けられることを特徴とする。
請求項４に記載の発明は、請求項１から３の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記パティキュレートフィルタに堆積したパティキュレートが燃焼状態にあるか否かを判定する燃焼判定手段（４０，２９）をさらに備え、前記再生手段は、前記パティキュレートが燃焼状態にあると判定された場合には、前記通常再生手段により再生処理を実行し、前記パティキュレートが燃焼状態にないと判定された場合には、前記加熱再生手段により再生処理を実行することを特徴とする。
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記排気通路のうち前記パティキュレートフィルタの下流側の排気の酸素濃度を検出又は推定する酸素濃度検出手段をさらに備え、前記燃焼判定手段は、前記酸素濃度検出手段により検出又は推定された酸素濃度に基づいて、前記パティキュレートが燃焼状態にあるか否かを判定することを特徴とする。
【００１４】
請求項６に記載の発明は、請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記排気通路のうち前記パティキュレートフィルタの下流側の排気温度（ＴＤ）を検出又は推定する下流排気温度検出手段（２９）をさらに備え、前記燃焼判定手段は、前記下流排気温度検出手段により検出又は推定された排気温度（ＴＤ）に基づいて、前記パティキュレートが燃焼状態にあるか否かを判定することを特徴とする。
請求項７に記載の発明は、請求項４から６の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記加熱再生手段は、前記通常再生手段により再生処理を行う場合と比較して、前記内燃機関の吸入空気量（ＧＥ）を減量するか、前記内燃機関の排気還流量を増量するか、あるいは、前記内燃機関の充填効率を小さくすることを特徴とする。
請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記加熱再生手段は、前記燃料改質器により還元性気体を前記排気通路内に供給しながら再生処理を実行する第１加熱再生手段（４０）と、前記燃料改質器により還元性気体を前記排気通路内に供給せずに再生処理を実行する第２加熱再生手段（４０）と、を有し、所定の条件に応じて前記第１加熱再生手段により再生処理を実行するか前記第２加熱再生手段により再生処理を実行するかを切り替えることを特徴とする。
請求項９に記載の発明は、請求項８に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記排気通路のうち前記パティキュレートフィルタの上流側の排気の温度（ＴＵ）を検出又は推定する上流排気温度検出手段（２８）をさらに備え、前記加熱再生手段は、前記上流排気温度検出手段により検出された温度（ＴＵ）が所定の判定値（ＴＣＴＨ）より小さい場合には、前記第１加熱再生手段により再生処理を実行することを特徴とする。
【００１５】
請求項１０に記載の発明は、請求項８又は９に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記パティキュレートフィルタの温度（ＴＤＰＦ）を推定又は検出するフィルタ温度推定手段をさらに備え、前記加熱再生手段は、前記フィルタ温度推定手段により推定又は検出された温度（ＴＤＰＦ）が所定の判定値（ＴＤＴＨ）より小さい場合には、前記第１加熱再生手段により再生処理を実行することを特徴とする。
請求項１１に記載の発明は、請求項８から１０の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記内燃機関の発生トルク（ＴＲＱ）を推定するトルク推定手段（４０）をさらに備え、前記加熱再生手段は、前記トルク推定手段により推定又は検出された発生トルク（ＴＲＱ）が所定の判定値（ＴＲＱＴＨ）より小さい場合には、前記第１加熱再生手段により再生処理を実行することを特徴とする。
請求項１２に記載の発明は、請求項１１に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記トルク推定手段は、前記内燃機関の回転数、燃料噴射量、及び燃料噴射時期のうち少なくとも１つに基づいて前記内燃機関の発生トルクを推定することを特徴とする。
請求項１３に記載の発明は、請求項８から１２の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記内燃機関を始動してからの経過時間（ＴＩＭ）を計測する計時手段（４０）をさらに備え、前記加熱再生手段は、前記計時手段により計測された経過時間（ＴＩＭ）が所定の判定値（ＴＩＭＴＨ）より小さい場合には、前記第１加熱再生手段により再生処理を実行することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
請求項１に記載の発明によれば、パティキュレートフィルタに捕集されたパティキュレートを燃焼させる再生処理を実行する際には、還元性気体を用いずに再生処理を実行する通常再生手段と、還元性気体を用いた再生処理を実行可能な加熱再生手段とを、所定の条件に応じて切り替える。ここで、燃料改質器により製造される還元性気体には、水素及び一酸化炭素などの燃焼しやすい分子が含まれる。このような還元性気体をパティキュレートフィルタに供給することで、例えば、排気温度が低くパティキュレートを燃焼させにくい状態であっても、排気の温度を速やかに上昇させることができる。また、所定の条件に応じて通常再生手段と加熱再生手段とを切り替えることにより、例えば、エンジン始動直後や、低負荷運転に移行した場合などの、上述のような従来の方法ではパティキュレートフィルタの再生処理を実行しにくい状態になっても再生処理を実行することができる。つまり、内燃機関の運転状態がパティキュレートフィルタの再生処理を継続するのに難しい状況になり、再生処理を中断せざるを得なくなる頻度を減らすことができる。したがって、再生処理にかかる時間を短縮することができる。
また、このように還元性気体を用いることにより、排気噴射やポスト噴射などのように未燃燃料を供給することなく排気の温度を上昇させることができる。これにより、上述のようなコーキングの発生、排気通路の触媒及び部品の劣化や腐食、燃費の悪化、及びオイルダイリューションの発生などの課題を回避することができる。
また、還元性気体に含まれる一酸化炭素や水素の分子径は、排気噴射やポスト噴射により供給される炭化水素の分子径と比較して小さい。このため、パティキュレートフィルタに大量のパティキュレートが堆積している場合であっても、その深部まで還元性気体を酸素とともに供給することができる。これにより、効率的にパティキュレートの燃焼を促進することができる。
また、還元性気体を製造する燃料改質器を排気通路とは別に設けることにより、パティキュレートフィルタの再生時期を、内燃機関の状態と独立して決めることができる。したがって、内燃機関を常に最適な状態で制御しつつ、必要に応じてパティキュレートフィルタの再生処理を適宜実行することができる。また、燃料改質器を排気通路とは別に設けることにより、内燃機関の運転状態や、排気の酸素濃度及び水蒸気濃度などによらず、常に最適な効率で還元性気体を製造できるとともに、この還元性気体を排気通路内に供給することができる。
一方、燃料改質器を排気通路内に設けた場合には、排気の成分、温度、流速に影響することなく運転できるように、燃料改質器を大型にする必要があるが、この発明によれば、燃料改質器を排気通路とは別に設けることで、装置を大型にすることなく安定した運転を行うことができる。また、燃料改質器を排気通路とは別に設けることにより、内燃機関の制御とは別系統の制御を行うことで、燃料改質器が備える触媒を早期に活性化することも可能となる。
【００１７】
請求項２に記載の発明によれば、還元性気体には水素よりも一酸化炭素が多く含まれる。一酸化炭素は、水素よりも低温で燃焼する。このような一酸化炭素を含む還元性気体を供給することでパティキュレートフィルタに堆積したパティキュレートを効率的に燃焼することができる。
請求項３に記載の発明によれば、燃料改質器により製造された還元性気体は、触媒コンバータに流入し、この触媒コンバータで燃焼する。このように触媒コンバータで還元性気体を燃焼することにより、排気の温度を上昇させ、パティキュレートフィルタに堆積したパティキュレートを効率的に燃焼することができる。
請求項４に記載の発明によれば、パティキュレートフィルタに堆積したパティキュレートが燃焼状態にあると判定した場合には、通常再生手段により還元性気体を用いずに再生処理を実行し、パティキュレートが燃焼状態にないと判定した場合には、加熱再生手段により還元性気体を用いて再生処理を実行する。これにより、還元性気体を無駄に消費するのを防止しつつ、効率的に再生処理を実行することができる。
請求項５に記載の発明によれば、パティキュレートフィルタの下流側の排気の酸素濃度に基づいてパティキュレートが燃焼状態にあるか否かを判定する。これにより、パティキュレートの燃焼状態を精度よく判定することができる。
請求項６に記載の発明によれば、パティキュレートフィルタの下流側の排気温度に基づいてパティキュレートが燃焼状態にあるか否かを判定する。これにより、パティキュレートの燃焼状態を精度よく判定することができる。
【００１８】
請求項７に記載の発明によれば、加熱再生手段により再生処理を実行する場合には、通常再生手段により再生処理を実行する場合と比較して、内燃機関の吸入空気量を減量するか、内燃機関の排気還流量を増量するか、あるいは、内燃機関の充填効率を小さくする。このような加熱再生手段で再生処理を実行することにより、パティキュレートフィルタの温度を速やかに上昇させることができる。
請求項８に記載の発明によれば、加熱再生処理手段に、還元性気体を供給しながら再生処理を実行する第１加熱再生手段と、還元性気体を供給せずに再生処理を実行する第２加熱再生手段とを設け、所定の条件に応じてこれら第１加熱再生手段と第２加熱再生手段とを切り替える。これにより、条件に応じて適切に再生処理を実行できる。
請求項９に記載の発明によれば、パティキュレートフィルタの上流側の排気温度が所定の判定値より小さい場合には、第１加熱再生手段により還元性気体を供給しながら再生処理を実行する。これにより、排気温度が低くパティキュレートを燃焼させにくい状態であっても、速やかに排気温度を上昇させて、パティキュレートの燃焼を促進することができる。
【００１９】
請求項１０に記載の発明によれば、パティキュレートフィルタの温度が所定の判定値より小さい場合には、第１加熱再生手段により還元性気体を供給しながら再生処理を実行する。これにより、パティキュレートフィルタの温度が低くパティキュレートを燃焼させにくい状態であっても、速やかに排気温度を上昇させて、パティキュレートの燃焼を促進することができる。
請求項１１に記載の発明によれば、発生トルクが所定の判定値より小さい場合には、第１加熱再生手段により還元性気体を供給しながら再生処理を実行する。これにより、内燃機関が低負荷運転状態にあり、パティキュレートを燃焼させにくい状態であっても、速やかに排気温度を上昇させて、パティキュレートの燃焼を促進することができる。
請求項１３に記載の発明によれば、内燃機関を始動してからの経過時間が所定の判定値より小さい場合には、還元性気体を供給しながら再生処理を実行する。これにより、内燃機関の始動後間もなくパティキュレートを燃焼させにくい状態であっても、速やかに排気温度を上昇させて、パティキュレートの燃焼を促進することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
図１は、本発明の一実施形態に係る内燃機関及びその排気浄化装置の構成を示す図である。内燃機関（以下「エンジン」という）１は、各気筒７の燃焼室内に燃料を直接噴射するディーゼルエンジンであり、各気筒７には図示しない燃料噴射弁が設けられている。これら燃料噴射弁は、電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」という）４０により電気的に接続されており、燃料噴射弁の開弁時間及び閉弁時間は、ＥＣＵ４０により制御される。
【００２１】
エンジン１には、吸気が流通する吸気管２と、排気が流通する排気管４と、排気管４内の排気の一部を吸気管２に還流する排気還流通路６と、吸気管２に吸気を圧送する過給機８とが設けられている。
【００２２】
吸気管２は、吸気マニホールド３の複数の分岐部を介してエンジン１の各気筒７の吸気ポートに接続されている。排気管４は、排気マニホールド５の複数の分岐部を介してエンジン１の各気筒７の排気ポートに接続されている。排気還流通路６は、排気マニホールド５から分岐し吸気マニホールド３に至る。
【００２３】
過給機８は、排気管４に設けられた図示しないタービンと、吸気管２に設けられた図示しないコンプレッサと、を備える。タービンは、排気管４を流通する排気の運動エネルギにより駆動される。コンプレッサは、タービンにより回転駆動され、吸気を加圧し吸気管２内へ圧送する。また、タービンは、図示しない複数の可変ベーンを備えており、可変ベーンの開度を変化させることにより、タービン回転数（回転速度）を変更できるように構成されている。タービンのベーン開度は、ＥＣＵ４０により電磁的に制御される。
【００２４】
吸気管２のうち過給機８の上流側には、エンジン１の吸入空気量ＧＡを制御するスロットル弁９が設けられている。このスロットル弁９は、アクチュエータを介してＥＣＵ４０に接続されており、その開度はＥＣＵ４０により電磁的に制御される。また、吸気管２のうち過給機８の下流側には、過給機８により加圧された吸気を冷却するためのインタークーラ１１が設けられている。
【００２５】
排気還流通路６は、排気マニホールド５と吸気マニホールド３とを接続し、エンジン１から排出された排気の一部を還流する。排気還流通路６には、還流される排気を冷却するＥＧＲクーラ１２と、還流する排気の流量を制御するＥＧＲ弁１３と、が設けられている。ＥＧＲ弁１３は、図示しないアクチュエータを介してＥＣＵ４０に接続されており、その弁開度はＥＣＵ４０により電磁的に制御される。
【００２６】
排気管４のうち過給機８の下流側には、触媒コンバータ３１と、ＤＰＦ３２とが上流側からこの順で設けられている。
【００２７】
触媒コンバータ３１は、後述の燃料改質器５０から供給される還元ガスを連続的に酸化する三元触媒を備える。この触媒コンバータ３１は、後述の還元ガスに含まれる一酸化炭素、水素、及び軽質の炭化水素などの触媒燃焼反応における貴金属活性種としてのロジウム（Ｒｈ）と、酸素貯蔵能力を有するセリア（ＣｅＯ２）とを含む。このような触媒コンバータ３１に還元ガスを供給することで、排気温度が低い状態であっても速やかに温度を上昇させることができる。また、セリアを含むことにより、急激な酸素濃度変化などにおいても安定した触媒作用を発揮することができる。
本実施形態では、触媒コンバータ３１として、白金（Ｐｔ）を２．４（ｇ／Ｌ）と、ロジウムを１．２（ｇ／Ｌ）と、パラジウム（Ｐｄ）を６．０（ｇ／Ｌ）と、セリアを５０（ｇ／Ｌ）と、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を１５０（ｇ／Ｌ）と、バインダーを１０と、を水系媒体とともにボールミルで攪拌・混合することでスラリーを製造し、このスラリーをＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金製担体にコーティングした後、これを６００℃で２時間に亘り乾燥・焼成して調製されたものを用いる。
【００２８】
ＤＰＦ３２は、排気がフィルタ壁の微細な孔を通過する際、排気中の炭素を主成分とするＰＭを、フィルタ壁の表面及びフィルタ壁中の孔に堆積させることによって捕集する。フィルタ壁の構成材料としては、例えば、炭化珪素（ＳｉＣ）などのセラミックスや金属多孔体が使用される。
ＤＰＦ３２の捕集能力の限界、すなわち堆積限界までＰＭを捕集すると、圧損が大きくなるので、捕集したＰＭを燃焼させるＤＰＦ再生処理を適宜行う必要がある。このＤＰＦ再生処理は、ＤＰＦ３２に流入する排気の温度を、ＤＰＦ３２に捕集されたＰＭの燃焼温度まで上昇することで行われる。このＤＰＦ再生処理の手順については、後に図２を参照して詳述する。
【００２９】
また、排気管４のうち触媒コンバータ３１及びＤＰＦ３２の上流側には、燃料ガスを改質して、水素（Ｈ２）及び一酸化炭素（ＣＯ）を含む改質ガスを製造する燃料改質器５０が接続されている。この燃料改質器５０は、製造した改質ガスを還元ガスとして、排気管４のうち触媒コンバータ３１及びＤＰＦ３２の上流側に形成された導入口１４から、排気管４内に供給する。
【００３０】
燃料改質器５０は、排気管４にその一端側が接続されたガス通路５１と、このガス通路５１の他端側から燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置５２と、ガス通路５１に設けられた改質触媒としての改質触媒５３と、を含んで構成される。
【００３１】
燃料ガス供給装置５２は、燃料タンクに貯留された燃料と、コンプレッサにより供給された空気とを所定の割合で混合して燃料ガスを製造し、この燃料ガスをガス通路５１に供給する。この燃料ガス供給装置５２は、ＥＣＵ４０に接続されており、燃料ガスの供給量及びその混合比は、ＥＣＵ４０により制御される。また、この燃料ガスの供給量を制御することで、排気管４に供給される還元ガスの供給量ＧＲＧ（単位時間当りに排気管４内に供給される還元ガスの量）を制御することが可能となっている。
【００３２】
改質触媒５３は、ロジウム及びセリアを含む。この改質触媒５３は、燃料ガス供給装置５２から供給された燃料ガスを改質し、水素、一酸化炭素、及び炭化水素を含む改質ガスを製造する触媒である。より具体的には、この改質触媒５３は、燃料ガスを構成する炭化水素燃料と空気との部分酸化反応により、大気圧よりも高い圧力であり、かつ、体積比で水素よりも一酸化炭素を多く含む改質ガスを製造する。また、上述のように部分酸化反応は発熱反応である。これにより、燃料改質器５０は、排気管４のうち導入口１４付近における排気よりも高い温度の還元性気体を、排気管４内に供給することが可能となる。
【００３３】
また、この改質触媒５３には、グロープラグやスパークプラグなどを含んで構成された図示しない加熱ヒータが接続されており、燃料改質器５０の始動とともに、改質触媒５３を加熱することが可能となっている。また、この燃料改質器５０は、排気管４とは別に設けられている。すなわち、燃料改質器５０の燃料ガス供給装置５２及び改質触媒５３は、排気管４内には設けられていない。
【００３４】
ＥＣＵ４０には、エンジン１の吸入空気量ＧＡ（単位時間当りにエンジン１に新規に吸入される空気量）を検出するエアフローメータ２１、排気管４のうちＤＰＦ３２及び触媒コンバータ３１の上流側の排気温度ＴＵを検出する下流温度センサ２９、排気管４のうちＤＰＦ３２の下流側の排気温度ＴＤを検出する下流温度センサ２９が接続されており、これらセンサの検出信号は、ＥＣＵ４０に供給される。
【００３５】
ＥＣＵ４０は、各種センサからの入力信号波形を整形し、電圧レベルを所定のレベルに修正し、アナログ信号値をデジタル信号値に変換するなどの機能を有する入力回路と、中央演算処理ユニット（以下「ＣＰＵ」という）とを備える。この他、ＥＣＵ４０は、ＣＰＵで実行される各種演算プログラム及び演算結果などを記憶する記憶回路と、燃料改質器５０、スロットル弁９、ＥＧＲ弁１３、過給機８、及びエンジン１の燃料噴射弁などに制御信号を出力する出力回路とを備える。
【００３６】
図２は、ＥＣＵによるＤＰＦ再生処理の手順を示すフローチャートである。図２に示すように、ＤＰＦ再生処理は、燃料改質器により製造された還元ガスを用いずに再生処理を実行する通常再生処理と、還元ガスを用いた再生処理を実行可能な加熱再生処理とを、所定の条件に応じて切り替えることが可能となっている。また、このＤＰＦ再生処理は、例えば、所定の時間ごとに行われる。
【００３７】
ステップＳ１では、ＤＰＦ再生要求フラグＦＤＰＦＲＲが「１」であるか否かを判別する。この判別がＹＥＳの場合にはステップＳ２に移り、ＮＯの場合には直ちにこの処理を終了する。ここで、このＤＰＦ再生要求フラグＦＤＰＦＲＲは、燃料の消費量が所定値に達したとき、あるいは、車両の走行距離が所定値に達したときに「１」に設定される。
ステップＳ２では、下流温度センサにより検出されたＤＰＦの下流側の排気温度ＴＤが所定の判定温度ＴＡＴＨより小さいか否かを判別し、この判別がＹＥＳの場合には、ＤＰＦに堆積したＰＭが燃焼状態にないと判定し、ステップＳ４に移り、ＮＯの場合には、ＰＭが燃焼状態にあると判定し、ステップＳ３に移る。
【００３８】
ステップＳ３では、通常再生処理の実行し、ステップＳ９に移る。この通常再生処理では、例えば、ポスト噴射を実行することにより、排気の温度をＰＭの燃焼温度まで上昇させる。
【００３９】
ステップＳ４では、上流温度センサにより検出された触媒コンバータの上流の排気温度ＴＵに基づいて触媒コンバータの温度ＴＴＷＣを推定し、この触媒コンバータ温度ＴＴＷＣが所定の判定温度ＴＢＴＨより低いか否かを判別がＹＥＳの場合にはステップＳ７に移り、ＮＯの場合にはステップＳ５に移る。
ステップＳ５では、エンジンが低負荷運転状態であるか否かを判定し、この判定がＹＥＳの場合にはステップＳ７に移り、ＮＯの場合にはステップＳ６に移る。より具体的には、エンジンの発生トルクＴＲＱを推定し、この発生トルクＴＲＱが所定のトルク判定値ＴＲＱＴＨより小さいか否かを判定することにより、エンジンが低負荷運転状態にあるか否かを判定する。また、本実施形態では、エンジンの回転数、燃料噴射量、及び燃料噴射時期のうち少なくとも１つに基づいて、エンジンの発生トルクＴＲＱを推定する。
ステップＳ６では、始動直後であるか否かを判定し、この判定がＹＥＳの場合にはステップＳ７に移り、ＮＯの場合にはステップＳ８に移る。ここで、この始動直後であるか否かの判定は、図示しないタイマにより計測されたエンジンの始動からの経過時間ＴＩＭが、所定の判定時間ＴＩＭＴＨより小さいか否かに基づいて行われる。
【００４０】
ステップＳ７では、第１加熱再生処理の実行を開始し、ステップＳ９に移る。この第１加熱再生処理では、スロットル弁を閉じて吸入空気量ＧＡを所定量まで減量するとともに、燃料改質器により製造された還元ガスを排気管内に供給する。
また、ステップＳ８では、第２加熱再生処理の実行を開始し、ステップＳ９に移る。この第２加熱再生処理では、スロットル弁を閉じて吸入空気量ＧＡを所定量まで減量する。また、この第２加熱再生処理では、還元ガスの供給は行わない。
ステップＳ９では、所定の再生時間が経過したか否かを判別する。この判別がＹＥＳの場合には、ステップＳ１０に移りＤＰＦ再生要求フラグを「０」に戻した後にこの処理を終了し、ＮＯの場合には直ちにこの処理を終了する。
【００４１】
以上詳述したように、本実施形態によれば、ＤＰＦ３２に捕集されたＰＭを燃焼させるＤＰＦ再生処理を実行する際には、還元ガスを用いずに再生処理を実行する通常再生処理と、還元ガスを用いた再生処理を実行可能な第１，第２加熱再生処理とを、所定の条件に応じて切り替える。ここで、燃料改質器５０により製造される還元ガスには、水素及び一酸化炭素などの燃焼しやすい分子が含まれる。このような還元ガスをＤＰＦ３２に供給することで、例えば、排気温度が低くＰＭを燃焼させにくい状態であっても、排気の温度を速やかに上昇させることができる。
また、所定の条件に応じて通常再生処理と第１，第２加熱再生処理とを切り替えることにより、例えば、エンジン始動直後や、低負荷運転に移行した場合などの、上述のような従来の方法ではＤＰＦ再生処理を実行しにくい状態になっても再生処理を実行することができる。つまり、エンジンの運転状態がＤＰＦ再生処理を継続するのに難しい状況になり、再生処理を中断せざるを得なくなる頻度を減らすことができる。したがって、再生処理にかかる時間を短縮することができる。
また、このように還元ガスを用いることにより、排気噴射やポスト噴射などのように未燃燃料を供給することなく排気の温度を上昇させることができる。これにより、上述のようなコーキングの発生、排気通路の触媒及び部品の劣化や腐食、燃費の悪化、及びオイルダイリューションの発生などの課題を回避することができる。
また、還元ガスに含まれる一酸化炭素や水素の分子径は、排気噴射やポスト噴射により供給される炭化水素の分子径と比較して小さい。このため、ＤＰＦ３２に大量のＰＭが堆積している場合であっても、その深部まで還元ガスを酸素とともに供給することができる。これにより、効率的にＰＭの燃焼を促進することができる。
また、還元ガスを製造する燃料改質器５０を排気管４とは別に設けることにより、ＰＭの再生時期を、エンジン１の状態と独立して決めることができる。したがって、エンジン１を常に最適な状態で制御しつつ、必要に応じてＤＰＦ再生処理を適宜実行することができる。また、燃料改質器５０を排気管４とは別に設けることにより、エンジン１の運転状態や、排気の酸素濃度及び水蒸気濃度などによらず、常に最適な効率で還元ガスを製造できるとともに、この還元ガスを排気管４内に供給することができる。
一方、燃料改質器５０を排気管４内に設けた場合には、排気の成分、温度、流速に影響することなく運転できるように、燃料改質器５０を大型にする必要があるが、この発明によれば、燃料改質器５０を排気管４とは別に設けることで、装置を大型にすることなく安定した運転を行うことができる。また、燃料改質器５０を排気管４とは別に設けることにより、エンジン１の制御とは別系統の制御を行うことで、燃料改質器５０の改質触媒５３を早期に活性化することも可能となる。
【００４２】
また、本実施形態によれば、還元ガスには水素よりも一酸化炭素が多く含まれる。一酸化炭素は、水素よりも低温で燃焼する。このような一酸化炭素を含む還元ガスを供給することでＤＰＦ３２に堆積したＰＭを効率的に燃焼することができる。
また、本実施形態によれば、燃料改質器５０により製造された還元ガスは、触媒コンバータ３１に流入し、この触媒コンバータ３１で燃焼する。このように触媒コンバータ３１で還元ガスを燃焼することにより、排気の温度を上昇させ、ＤＰＦ３２に堆積したＰＭを効率的に燃焼することができる。
また、本実施形態によれば、ＤＰＦ３２に堆積したＰＭが燃焼状態にあると判定した場合には、通常再生処理を実行し、ＰＭが燃焼状態にないと判定した場合には、第１加熱再生処理又は第１加熱再生処理を実行する。これにより、還元ガスを無駄に消費するのを防止しつつ、効率的に再生処理を実行することができる。また、これにより、エンジンの運転状態などに応じて再生処理にかかる時間を短縮することができる。
また、本実施形態によれば、ＤＰＦ３２の下流側の排気温度に基づいてＰＭが燃焼状態にあるか否かを判定する。これにより、ＰＭの燃焼状態を精度よく判定することができる。
【００４３】
また、本実施形態によれば、第１，２加熱再生処理を実行する場合には、通常再生処理を実行する場合と比較して、エンジン１の吸入空気量を減量する。このような、第１，２加熱再生処理を実行することにより、ＤＰＦ３２の温度を速やかに上昇させることができる。
また、本実施形態によれば、触媒コンバータ３１の温度ＴＴＷＣが所定の判定温度ＴＢＴＨより小さい場合には、第１加熱再生処理を実行する。これにより、排気温度が低くＰＭを燃焼させにくい状態であっても、速やかに排気温度を上昇させて、ＰＭの燃焼を促進することができる。
【００４４】
また、本実施形態によれば、発生トルクＴＲＱが所定の判定値ＴＲＱＴＨより小さい場合には、第１加熱再生処理を実行する。これにより、エンジン１が低負荷運転状態にあり、ＰＭを燃焼させにくい状態であっても、速やかに排気温度を上昇させて、ＰＭの燃焼を促進することができる。
また、本実施形態によれば、エンジン１を始動してからの経過時間ＴＩＭが所定の判定時間ＴＩＭＴＨより小さい場合には、第１加熱再生処理を実行する。これにより、エンジン１の始動後間もなくＰＭを燃焼させにくい状態であっても、速やかに排気温度を上昇させて、ＰＭの燃焼を促進することができる。
【００４５】
本実施形態では、ＥＣＵ４０が再生手段、通常再生手段、加熱再生手段、第１加熱再生手段、第２加熱再生手段、燃焼判定手段、フィルタ温度推定手段の一部、トルク推定手段の一部、及び計時手段を構成する。具体的には、図２のステップＳ１〜Ｓ１０に係る手段が再生手段に相当し、ステップＳ３に係る手段が通常再生手段に相当し、ステップＳ７，Ｓ８に係る手段が加熱再生手段に相当し、ステップＳ７に係る手段が第１加熱再生手段に相当し、ステップＳ８に係る手段が第２加熱再生手段に相当し、ステップＳ２に係る手段及び下流温度センサ２９が燃焼判定手段に相当し、ステップＳ５に係る手段がトルク推定手段に相当し、ステップＳ６に係る手段が計時手段に相当する。
【００４６】
なお本発明は上述した実施形態に限るものではなく、種々の変形が可能である。
上記実施形態では、排気管４のうちＤＰＦ３２の上流側に、還元ガスを連続的に酸化する酸化機能を有する触媒コンバータ３１を設けたがこれに限らない。例えば、触媒コンバータをＤＰＦと別体で設けることなく、同様の酸化機能を有する触媒をＤＰＦに担持してもよい。
これにより、触媒コンバータとＤＰＦとを別々に設けた場合と比較して、排気浄化装置をコンパクトにできるとともに、ＰＭの燃焼反応をさらに促進することができる。したがって、還元ガスを供給してからＰＭの燃焼が始まるまでの時間をさらに短縮することができる。
【００４７】
上記実施形態では、ステップＳ２において、下流温度センサ２９により検出されたＤＰＦの下流側の排気温度ＴＤに基づいて、ＤＰＦに堆積したＰＭが燃焼状態にあるか否かを判定したが、これに限らない。例えば、ＤＰＦの下流側の排気の酸素濃度を検出又は推定する酸素濃度検出手段を設け、この酸素濃度検出手段により検出又は推定された酸素濃度に基づいて、ＰＭが燃焼状態にあるか否かを判定してもよい。このようにしても、上記実施形態と同様の効果を奏することができる。
【００４８】
上記実施形態では、ステップＳ４〜Ｓ６において、触媒コンバータの温度、エンジンの運転状態、及びエンジンの始動開始からの経過時間に基づいて第１加熱再生処理を実行するか、あるいは、第２加熱再生処理を実行するかの判定を行ったが、これに限らない。例えば、上流温度センサにより検出された排気温度ＴＵが所定の判定温度ＴＣＴＨより小さい場合に、第１加熱再生処理を実行するようにしてもよい。また、例えば、ＤＰＦの温度ＴＤＰＦを推定するフィルタ温度推定手段を設け、このフィルタ温度推定手段により推定されたＤＰＦ温度ＴＤＰＦが所定の判定温度ＴＤＴＨより小さい場合に、第１加熱再生処理を実行するようにしてもよい。このようにしても、上記実施形態と同様の効果を奏することができる。
【００４９】
上記実施形態では、ステップＳ７及びステップＳ８において、第１加熱再生処理及び第２加熱再生処理を実行する際に、スロットル弁を閉じて吸入空気量ＧＡを所定量まで減量したが、これに限らない。これらの処理では、吸入空気量の減量に限らず、ＥＧＲ弁を開いて排気還流量を増量したり、あるいは、エンジンの充填効率を小さくしたりしてもよい。このようにしても、上記実施形態と同様の効果を奏することができる。
【００５０】
また本発明は、クランク軸を鉛直方向とした船外機などのような船舶推進用エンジンなどの排気浄化装置にも適用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の一実施形態に係る内燃機関及びその排気浄化装置の構成を示す図である。
【図２】前記実施形態に係るＥＣＵによるＤＰＦ再生処理の手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００５２】
１…エンジン（内燃機関）
４…排気管（排気通路）
５…排気マニホールド（排気通路）
１４…導入口
２８…上流温度センサ（上流排気温度検出手段）
２９…下流温度センサ（下流排気温度検出手段）
３１…触媒コンバータ
３２…ＤＰＦ
４０…電子制御ユニット（再生手段、通常再生手段、加熱再生手段、第１加熱再生手段、第２加熱再生手段、燃焼判定手段、フィルタ温度推定手段、トルク推定手段、及び計時手段）
５０…燃料改質器
【図１】
0005155671.tif 000002
【図２】
0005155671.tif 000003